交通荷載作用下土體動(dòng)力特性研究進(jìn)展

劉 俊，蔡晶垚，譚健新，黎 滔，劉慧芝

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

0 前 言

近年來(lái)，我國(guó)的交通公路基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，截至2019年最新數(shù)據(jù)，我國(guó)公路總里程已達(dá)484.65萬(wàn)km、高速公路達(dá)14.26萬(wàn)km，居世界第一。但我國(guó)人口眾多，截至到2020年1月17日，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年末，我國(guó)大陸總?cè)丝?40 005萬(wàn)人，比上年末增加467萬(wàn)人，人均道路交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。而交通基礎(chǔ)建設(shè)是影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通基礎(chǔ)建設(shè)密不可分，隨著對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，也要求建設(shè)能夠與之相協(xié)調(diào)的交通系統(tǒng)，同時(shí)，在人口密集區(qū)域，交通仍舊無(wú)法滿足城市發(fā)展要求，需要建設(shè)更多的交通公路來(lái)滿足城市發(fā)展需求，比如北、上、廣等這些大城市，交通量密度大，容易限制城市發(fā)展，需要對(duì)其公路進(jìn)行改建。綜上所述，我國(guó)有較高的交通建設(shè)量和需求量。

但在交通基礎(chǔ)建筑物使用期間，由于受交通荷載等主要因素的影響，橋梁基礎(chǔ)、路基、擋土墻和建筑地基等基礎(chǔ)設(shè)施的沉降和失穩(wěn)已成為嚴(yán)重的工程安全隱患。所以，研究影響交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中遇到的這些科學(xué)問(wèn)題是十分有必要的。在我國(guó)的交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中有著許多難以解決的技術(shù)問(wèn)題，其中交通荷載引起的路基長(zhǎng)期沉降問(wèn)題仍然是一個(gè)十分棘手的技術(shù)難題。2019年我國(guó)滬昆高速公路邵陽(yáng)黃橋至洞口段由東往西行車道路面沉降嚴(yán)重，大概有7處之多，特別是大水往洞口方向一公里左右有一處沉降達(dá)15 cm的深度，嚴(yán)重影響行車安全。此外，2015年京昆高速新九段(K2428+700m攀枝花金江-西昌方向)發(fā)生路面沉降，目前沉降路基還在繼續(xù)擴(kuò)大，下沉路面高達(dá)1.5 m，長(zhǎng)約50 m。這些重大安全工程隱患都跟復(fù)雜的地基土在交通荷載作用下所呈現(xiàn)的復(fù)雜動(dòng)力特性有直接關(guān)系。地基土在施工后長(zhǎng)期處于交通荷載作用，而汽車等交通工具所產(chǎn)生的復(fù)雜的荷載形式使得地基土表現(xiàn)出不同的動(dòng)力響應(yīng)，逐漸產(chǎn)生較大沉降，甚至使地基土崩解破壞，地基土沉降與土體在交通荷載作用下的動(dòng)力特性密切相關(guān)，所以越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始重視交通荷載作用所引起地基土動(dòng)力特性方面的問(wèn)題。

圖1為高速公路路基工后路基沉降事故圖。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 交通荷載作用下土體的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系模型研究進(jìn)展

交通荷載是一種復(fù)雜的動(dòng)荷載，既不同于靜荷載，又有別于地震荷載和波浪荷載，具有作用時(shí)間長(zhǎng)、低頻等特點(diǎn)。且交通荷載作用下土體(尤其是軟弱土)的動(dòng)力學(xué)行為與其他動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力學(xué)行為有明顯的區(qū)別，因此，對(duì)交通荷載作用下土體的動(dòng)力學(xué)行為及其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系模型研究是十分有必要的。許多的學(xué)者也對(duì)交通荷載作用下的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系模型做了很多的研究，例如，王峻等[1]通過(guò)對(duì)不同粉煤灰摻入量時(shí)黃土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的研究，提出了其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的雙曲線模型，并發(fā)現(xiàn)了粉煤灰摻入量是模型參數(shù)的影響因素。王婧等[2]通過(guò)利用動(dòng)三軸對(duì)新疆綠洲-荒漠區(qū)的礫類土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了其在交通循環(huán)荷載作用下的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，并研究了不同工況時(shí)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)可以采用R.L.Kondner雙曲線模型對(duì)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，并得出了不同工況時(shí)模型參數(shù)。王睢[3]建立了考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的重塑黃土的三維各向異性強(qiáng)度準(zhǔn)則，基于此準(zhǔn)則建立了考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的各向異性本構(gòu)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了交通荷載作用下的心形應(yīng)力路徑，分別探討了含水量、循環(huán)正應(yīng)力和循環(huán)剪應(yīng)力對(duì)重塑黃土的累積效應(yīng)影響規(guī)律。Louren?o等[4]研究了循環(huán)荷載作用下土的動(dòng)力特性，提出了兩種超彈性的本構(gòu)模型，描述了循環(huán)作用下土的動(dòng)力響應(yīng)，并利用了有限元的方法進(jìn)行了相關(guān)研究?，F(xiàn)有的本構(gòu)關(guān)系模型理論基本都是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，許多本構(gòu)關(guān)系都是基于此理論對(duì)其展開(kāi)研究，而實(shí)際上由于土體是多相介質(zhì)體，且土體具有不均勻性和各向異性，使得利用本構(gòu)模型計(jì)算的理論值與實(shí)際工程的實(shí)測(cè)值存在一些差別。更高精度要求的理論應(yīng)用，需要學(xué)者們進(jìn)一步深入研究。

1.2 交通荷載作用下路基沉降計(jì)算方法研究進(jìn)展

路基等地基土在施工期基本能保持穩(wěn)定，而在工后運(yùn)營(yíng)階段的地基土的沉降又會(huì)明顯增加，給交通安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患，所以交通荷載作用下土體沉降計(jì)算一直是學(xué)者們所關(guān)心的核心科學(xué)問(wèn)題，許多的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，為預(yù)測(cè)工后地基土沉降提供了有效的方法。大多數(shù)的方法是基于彈塑性、粘彈塑性等模型，并綜合了土動(dòng)力學(xué)、有限元、數(shù)值方法等理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了適用的模型，從而提出了適用其模型的沉降計(jì)算方法，例如，魏星等[5]考慮了交通荷載移動(dòng)速度的影響，并利用數(shù)值積分算法計(jì)算了交通荷載引起的地基土附加動(dòng)應(yīng)力,并分析了移動(dòng)荷載下地基中應(yīng)力路徑與荷載移動(dòng)速度的關(guān)系,同時(shí)給出了便于工程應(yīng)用的放大系數(shù)的實(shí)用圖表和建立了一個(gè)適用于循環(huán)心形應(yīng)力路徑的飽和軟土殘余變形的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提出的殘余變形?jīng)驗(yàn)公式。

(1)

式中，εq,r為豎向殘余應(yīng)變；a、b為材料參數(shù)；Kq、Kτ為表征動(dòng)應(yīng)力影響因子；Kα、Kσ為表征靜應(yīng)力影響因子。

在利用分層總和法計(jì)算地表沉降值時(shí)，這是一種交通荷載作用下路基沉降實(shí)用算法。

張幸幸等[6]利用了建模方法，結(jié)合一些學(xué)者開(kāi)展的長(zhǎng)周次振動(dòng)三軸試驗(yàn)的成果，針對(duì)長(zhǎng)期不規(guī)則交通荷載作用下路基沉降的問(wèn)題，嘗試提出了一種“等價(jià)粘彈塑性模型”，采用了 Ramberg-Osgood[7]的動(dòng)剪切模量公式(2)、(3)和 Hardin-Drnevich[8]阻尼比公式(4)：

(2)

(3)

(4)

式中，G0為初始剪切模量；γd為動(dòng)剪應(yīng)變大??；A、B和γ0為模型參數(shù)；一般無(wú)黏性土的λmax通常在 10～20。

張幸幸等[6]通過(guò)以上的理論公式和振動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，提出了估算長(zhǎng)期交通荷載作用下的路基沉降殘余應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式(5)：

(5)

式中，pc為靜球應(yīng)力大??；kr、c1、c2和N0為模型參數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；ηd為動(dòng)應(yīng)力幅值；Ne為等效荷載作用次數(shù)；N0為一個(gè)便于數(shù)據(jù)擬合和計(jì)算引入的基準(zhǔn)值。

劉維正等[9]模擬與分析了天然軟土循環(huán)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并證明了根據(jù)人工結(jié)構(gòu)性土建立的穩(wěn)定型和破壞型累積應(yīng)變預(yù)測(cè)模型的有效性，也研究了應(yīng)力靈敏度與臨界動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系，從而建立了適用的預(yù)測(cè)模型。然后，利用了有限元數(shù)值方法研究了考慮動(dòng)荷載速率效應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力空間分布，結(jié)合累積應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c分層總和法，提出了交通荷載作業(yè)下結(jié)構(gòu)性軟土地基長(zhǎng)期沉降的實(shí)用計(jì)算方法，并利用工程實(shí)例驗(yàn)證了其計(jì)算方法的實(shí)用性(見(jiàn)圖2)。

圖2 實(shí)例中交通荷載作用下黏土的累計(jì)應(yīng)變曲線[9]

但總的來(lái)看，以上研究都是利用了經(jīng)驗(yàn)公式和方法，考慮交通荷載產(chǎn)生的影響因素，建立實(shí)用的計(jì)算模型，提出了適用于對(duì)應(yīng)模型的累積沉降計(jì)算方法?，F(xiàn)有的研究中，也同樣存在著理論與實(shí)際上的缺陷，從理論缺陷上來(lái)解決其交通荷載作用下累積沉降的研究很少，現(xiàn)有的計(jì)算公式通常都是基于大量的實(shí)驗(yàn)，研究其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，再對(duì)已有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修改，而本身實(shí)驗(yàn)就存在不可控的誤差，比如，交通荷載的模擬加載形式上的缺陷或其他誤差。與此同時(shí)，現(xiàn)有的研究中對(duì)于交通荷載引起的超長(zhǎng)循環(huán)周次的加卸載作用下土體的變形，尚沒(méi)有很好的方法進(jìn)行描述，這類實(shí)驗(yàn)的精度問(wèn)題和計(jì)算方法研究也較少。

1.3 交通荷載作用下土體動(dòng)力特性的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)不同，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)具有便捷性，性價(jià)比高等特點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上具有參考意義，所以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的研究也是十分常用且有效的研究方法。國(guó)內(nèi)外關(guān)于交通荷載作用下土體動(dòng)力特性方面的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究有許多，比如,崔宏環(huán)等[10]針對(duì)張家口地區(qū)沖積扇粉質(zhì)黏土，通過(guò)利用動(dòng)力學(xué)三軸試驗(yàn)、有限元理論和敏感性數(shù)據(jù)分析方法，量化分析了引起路基在交通荷載作用下發(fā)生沉降的各因素。崔兵等[11]通過(guò)利用自主研制的大型交通荷載動(dòng)力模型槽設(shè)備，研究了軟黏土地基在交通荷載作用下動(dòng)土壓力和孔隙水壓力的規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了低路堤軟黏土地基在交通荷載作用下的動(dòng)力特性發(fā)展規(guī)律。王瑞等[12]利用了室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了靜偏應(yīng)力對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響規(guī)律和動(dòng)模量隨加載振次的變化規(guī)律。熊煥等[13]研究交通荷載應(yīng)力路徑下地基土單元排水變形特性,利用動(dòng)態(tài)空心圓柱儀對(duì)K0固結(jié)下飽和砂土進(jìn)行了一系列“蘋果型”動(dòng)力循環(huán)應(yīng)力路徑以及普通動(dòng)力循環(huán)應(yīng)力路徑試驗(yàn)。綜合大量學(xué)者所做的研究分析，室內(nèi)研究實(shí)驗(yàn)研究成果十分豐富，大部分的實(shí)驗(yàn)都是取材于某處的地基土，通過(guò)利用了動(dòng)三軸、數(shù)值分析等手段開(kāi)展系列研究，從一定程度上反映了交通荷載對(duì)所處的地基土產(chǎn)生的動(dòng)力特性，具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。隨著室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的深入，對(duì)于交通荷載作用下加筋地基土的研究也成為了研究趨勢(shì)。由于其加筋條件和加載方式的影響，加筋地基土對(duì)交通荷載所反映出的動(dòng)力特性也會(huì)發(fā)生變化，很多學(xué)者已經(jīng)做了許多研究。但結(jié)合廣泛存在的地區(qū)性路基土的研究并不很完善，其中交通荷載作用下橡膠加筋土的動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究就是一個(gè)例子，加載方式、加橡膠方式和橡膠尺寸效應(yīng)等變量因素也會(huì)使橡膠混合土產(chǎn)生不同的動(dòng)力特性[14-15]。特別對(duì)于在我國(guó)廣泛分布的紅砂巖，橡膠加筋紅砂巖土的研究更為缺少。

2 結(jié) 語(yǔ)

1)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論是大多數(shù)本構(gòu)模型建立的基礎(chǔ)理論，而實(shí)際上土體是多相介質(zhì)體，所建立的本構(gòu)模型與實(shí)際土體動(dòng)力響應(yīng)并非完全一致，但也有部分研究通過(guò)有限元模擬和數(shù)值模型驗(yàn)證提高所建立本構(gòu)模型的精度。

2)路基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式能避免建立本構(gòu)模型的缺陷，現(xiàn)有的沉降計(jì)算公式通常是基于大量的實(shí)驗(yàn)，研究其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，再建立適用的計(jì)算公式或?qū)σ延械慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行改進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)本身就存在不可控的誤差，比如，交通荷載的模擬加載形式上的缺陷等其他誤差，關(guān)于交通荷載作用的加載方式也是尚值得進(jìn)一步系統(tǒng)地研究，提高實(shí)驗(yàn)的精度。與此同時(shí)，現(xiàn)有的研究中對(duì)于交通荷載引起、超長(zhǎng)循環(huán)周次的加卸載作用下土體的變形，尚沒(méi)有很好的方法進(jìn)行描述，這類實(shí)驗(yàn)的精度問(wèn)題和計(jì)算方法研究也較少。

3)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究成果十分豐富，具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。隨著室內(nèi)研究的深入，對(duì)于交通荷載作用加筋地基土的研究也成為了一種研究趨勢(shì)，對(duì)此很多學(xué)者已經(jīng)做了許多研究，但結(jié)合廣泛存在的地區(qū)性路基土的研究并不是很完善，特別是關(guān)于交通荷載作用下橡膠加筋土(橡膠加筋紅砂巖土)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究比較缺乏。

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